周俊平

(鶴壁汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院,河南 鶴壁 458030)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大,在提高農(nóng)業(yè)種植、定期養(yǎng)護(hù)作業(yè)效率的同時(shí),降低了人工作業(yè)強(qiáng)度。據(jù)大量查閱文獻(xiàn)可知:一方面,國(guó)內(nèi)外的無(wú)人植保機(jī)技術(shù)水平正朝著智能化、產(chǎn)業(yè)化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展,基于整機(jī)本體裝置的組構(gòu)件研究與施藥作業(yè)的環(huán)境信息相結(jié)合已成為一種趨勢(shì);另一方面,針對(duì)無(wú)人植保機(jī)實(shí)際噴霧施藥效果的研究、相關(guān)聯(lián)物理參數(shù)與場(chǎng)參數(shù)的調(diào)控亦是熱門(mén)課題。為此,筆者在借鑒相關(guān)學(xué)者研究思路與成果的基礎(chǔ)上,以提高機(jī)體的作業(yè)準(zhǔn)確率為目標(biāo),針對(duì)植保機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的操作終端進(jìn)行了試驗(yàn)性探究。

1 無(wú)人植保機(jī)控制概述

無(wú)人植保機(jī)作為一種遠(yuǎn)程遙控實(shí)時(shí)作業(yè)的飛行裝置,控制系統(tǒng)中涵蓋了通信、FRID、精準(zhǔn)定位及數(shù)據(jù)處理核心運(yùn)算規(guī)則。一般而言,一套完整的無(wú)人植保機(jī)具備機(jī)械、動(dòng)力及控制三大功能。圖1為某一農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)場(chǎng)景,體現(xiàn)了高效化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特征。

圖1 農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)施藥作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Working image of pesticide application by the agricultural

工作時(shí),通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)田間信息進(jìn)行判定與采集,經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程的控制顯示終端,融入了嵌入式數(shù)據(jù)移植機(jī)理的控制系統(tǒng),擁有友好型操作終端。圖2為植保機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制流程。由圖2可知:植保機(jī)的飛控系統(tǒng)中央處理單元是傳感器控制單元與植保機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的中樞系統(tǒng),具有綜合信息處理功能,經(jīng)過(guò)姿態(tài)接收數(shù)據(jù)處理與智能通信數(shù)模轉(zhuǎn)換到達(dá)地面的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

圖2 農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制流程簡(jiǎn)圖Fig.2 Control flow chart of remote control system for agricultural plant protection UAV plant protection UAV

2 植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制模型建立

依據(jù)無(wú)人植保機(jī)作業(yè)特點(diǎn),考慮飛行參數(shù)傳遞至遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的能耗數(shù)據(jù)損失,得出控系統(tǒng)的傳感裝置測(cè)量參數(shù)補(bǔ)償方程為

(1)

式中h—無(wú)人植保機(jī)整機(jī)實(shí)際作業(yè)飛行高度;

εa—無(wú)人植保機(jī)作業(yè)過(guò)程雷達(dá)監(jiān)測(cè)噪聲;

εb—無(wú)人植保機(jī)作業(yè)過(guò)程GPS監(jiān)測(cè)噪聲;

εc—無(wú)人植保機(jī)作業(yè)過(guò)程加速度計(jì)監(jiān)測(cè)噪聲。

進(jìn)一步細(xì)化無(wú)人植保機(jī)作業(yè)過(guò)程的穩(wěn)定施藥與避障功能實(shí)現(xiàn),針對(duì)避障設(shè)計(jì)姿態(tài)控制與評(píng)估系統(tǒng),同時(shí)配備監(jiān)測(cè)精度高的障礙物檢測(cè)器;當(dāng)異常狀況發(fā)生時(shí),按照避障算法執(zhí)行指令。同時(shí),該植保機(jī)的控制狀態(tài)歸屬于非線性動(dòng)力學(xué)約束模型,則建立控制模型為

(2)

式中xi、yi、zi—植保機(jī)作業(yè)飛行坐標(biāo);

Vi—植保機(jī)作業(yè)飛行速度;

θi—植保機(jī)的進(jìn)攻角度;

Ψi—植保機(jī)的方向角度;

u1i—控制植保機(jī)進(jìn)攻角度參量;

u2i—控制植保機(jī)方向角度參量。

Xi=[xi,yi,zi,θi,Ψi]T—植保機(jī)作業(yè)狀態(tài)變量;

Ui=[u1i,u2i]T—植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)向量。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)無(wú)人植保機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),以數(shù)據(jù)準(zhǔn)確控制與處理、信息實(shí)時(shí)通信與調(diào)控為切入點(diǎn),確定其控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架,如圖3所示。設(shè)定無(wú)人植保機(jī)的作業(yè)位姿坐標(biāo)系,高度參數(shù)監(jiān)測(cè)、GPS定位及速度調(diào)控裝置經(jīng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化處理后為飛控監(jiān)控系統(tǒng)核心部分,經(jīng)控制系統(tǒng)電機(jī)分配求解后到達(dá)植保機(jī)的動(dòng)力裝置,在整機(jī)本體與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)間形成互相制約關(guān)系。

圖3 農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Software design structural sketch of the remote control system for agricultural plant protection UAV

針對(duì)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)處理,從采集接收處理與控制顯示全流程進(jìn)行把控;同時(shí),依據(jù)飛行操控預(yù)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)編制操縱函數(shù),并配備完整的故障檢測(cè)單元與數(shù)據(jù)傳輸接口等,形成如圖4所示的無(wú)人植保機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)飛行作業(yè)流程。由圖4可知:開(kāi)啟自動(dòng)飛行模式后,首先判定植保機(jī)滿(mǎn)足飛行的基本參數(shù)條件,再進(jìn)行各部件執(zhí)行動(dòng)作。其中,飛行作業(yè)過(guò)程中各航點(diǎn)的信息位置指令與高度閾值的符合性是決定植保機(jī)執(zhí)行降落、續(xù)航或返航的關(guān)鍵因素。

圖4 農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)飛行作業(yè)流程簡(jiǎn)圖Fig.4 Flow chart of automatic flight operation for the control system of the agricultural plant protection UAV

針對(duì)獲取植保機(jī)空中作業(yè)信息的采集節(jié)點(diǎn)各自進(jìn)行RF幀解析和GPS幀解析,同時(shí)著重考慮機(jī)體運(yùn)行的速度與位置PID控制與閉環(huán)反饋環(huán)節(jié),對(duì)該無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的后臺(tái)信號(hào)姿態(tài)解算庫(kù)、傳感位置數(shù)據(jù)獲取輸出庫(kù)、終端操作終端顯示控制進(jìn)行合理解析編譯。相關(guān)控制程序片段如下:

…

#get list of libraries

Include $(MAKE_INC)

LIBTOKENS:=$(LIBRARIES)

#Find sketchbook libraries referenced by the

sketch.

#Include paths for sketch libraries

SKETCHBOOK:=$(wildcard$(addprefix

$( SKETCHBOOK)/ libraries/,

$( LIBTOKENS)))

SKETCHLIBNAMES:=$(notdir$

(SKETCHLIBS))

…

SKETCHLIBINCLUDES:=-I$(SKETCHBOOK)

/ libraries/- I$(BUILDROOT) / libraries/- I$

(BUILDROOT) / libraries/GCS_MAVLink/

SKETCHLIBSRCRELATIVE:=$(subst

$( SKETCHBOOK)/,,$(SKETCHLIBSRCS))

…

2.3 控制系統(tǒng)硬件配置

針對(duì)植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件配置。根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能不同,合理選擇地面控制系統(tǒng)的組件,保證無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元的暢通性,機(jī)體本身則選用角度、位姿傳感裝置及速度實(shí)時(shí)監(jiān)控儀表等,兩者形成對(duì)接化的統(tǒng)一參數(shù)。

植保機(jī)作業(yè)過(guò)程的形態(tài)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的通信模塊采用UART傳輸裝置,利用成熟的I/D輸入輸出技術(shù),進(jìn)行如表1所示的通信核心參數(shù)設(shè)置,保證控制系統(tǒng)的接收裝置靈敏度可達(dá)10-10mW以上。

表1 植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通信參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of the communication parameters for the remote control System of plant protection UAV

選擇GSM模塊為T(mén)C35i型,圖5為農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件核心電路。由圖5可知:內(nèi)部SIM卡的引腳處于高電平位置是控制系統(tǒng)進(jìn)行工作的先決條件,數(shù)據(jù)則通過(guò)ZIF40主體連接器進(jìn)行傳遞與發(fā)送,單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的中間處理平臺(tái),整個(gè)核心電路電控壓力為5～12V。

圖5 農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件核心電路Fig.5 Hardware core circuit of remote control system for agricultural unmanned plant protection aircraft

控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性硬件選擇尺寸小巧的16bit陀螺芯片、14bit加速度芯片和具有三維角度信息獲取的角速度傳感裝置,基本參數(shù)如表2所示。其靈敏溫度誤差為±2%,非線性誤差為0.2%FS,可滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)要求。

表2 農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制用角速度傳感裝置參數(shù)表Table 2 Parameters table of the angular velocity sensor for remote control of the agricultural plant protection UAV

3 植保機(jī)遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)仿真

3.1 條件設(shè)置

進(jìn)行農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行性試驗(yàn),如圖6所示。在滿(mǎn)足關(guān)鍵穩(wěn)定試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上,選擇互補(bǔ)濾波融合算法,設(shè)定整機(jī)主要組件的配置規(guī)格及數(shù)量,如表3所示。暫不考慮外界信息的輕度擾動(dòng),確保遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行與田間無(wú)人機(jī)機(jī)體作業(yè)信息的協(xié)調(diào)一致度,展開(kāi)不同坡度飛行下的遠(yuǎn)程控制參數(shù)變化仿真。

表3 終端設(shè)計(jì)試驗(yàn)用農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)主要組件配置Table 3 Configuration of main components of the agricultural unmanned plant protection aircraft for the terminal design test

1.控制系統(tǒng)主控板 2.飛行姿態(tài)傳感裝置 3.無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置 4.高度檢測(cè)裝置圖6 農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制性能試驗(yàn)裝置Fig.6 Performance test device for the remote control for the agricultural unmanned plant protection aircraft

3.2 過(guò)程分析

植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)核心指令功能的實(shí)現(xiàn)流,如圖7所示。在制動(dòng)導(dǎo)向、穩(wěn)定組件與執(zhí)行指令的分系統(tǒng)共同配合下,經(jīng)各負(fù)責(zé)模塊的位姿算法應(yīng)用,以VM Workstation為載體,多次編譯模擬及調(diào)試,完善后臺(tái)數(shù)據(jù)處理,得到如圖8所示的農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)終端顯示信息。

圖7 農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)核心指令功能實(shí)現(xiàn)Fig.7 Core instruction function implementation of the remote control system for agricultural unmanned plant protection aircraft

圖8 農(nóng)用無(wú)人植保機(jī)遠(yuǎn)程控制終端顯示Fig.8 Display of the remote control terminal of the agricultural unmanned plant protection aircraft

該終端是個(gè)綜合功能的監(jiān)控平臺(tái),可均勻化顯示整個(gè)植保機(jī)作業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控主要參數(shù),如機(jī)體的轉(zhuǎn)彎速率、運(yùn)行航跡、飛行角度、離地高度等。同時(shí),具備作業(yè)前監(jiān)控信息初始化配置、保存與自動(dòng)加載作用,可對(duì)無(wú)人植保機(jī)的遠(yuǎn)程控制進(jìn)行指令傳輸,實(shí)現(xiàn)無(wú)人植保機(jī)噴施作業(yè)的高效可視化管控。

利用該操作終端,可根據(jù)機(jī)載藥量剩余對(duì)續(xù)航時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控,根據(jù)斷點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)提前做出計(jì)算與返航指令或者選擇就近降落指令,完成1次最佳無(wú)人機(jī)噴施作業(yè)。

以遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)高度h作為評(píng)定指標(biāo),得到系列關(guān)鍵性試驗(yàn)數(shù)據(jù),如表4所示。由表4可知:分別設(shè)定飛行坡度為15°～35°等4組數(shù)據(jù),各進(jìn)行有效試驗(yàn)30次,試驗(yàn)系統(tǒng)的作業(yè)平均高度與實(shí)際植保機(jī)作業(yè)平均高度的誤差可控制在±6.5cm范圍內(nèi),小于無(wú)人植保機(jī)監(jiān)控平臺(tái)對(duì)高度檢測(cè)誤差要求,遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)可行。

表4 植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Test data statistics of remote control system of plant protection UAV

4 結(jié)論

1)針對(duì)無(wú)人植保機(jī)作業(yè)過(guò)程的控制原理,對(duì)其遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),建立了參數(shù)精準(zhǔn)控制模型,并后臺(tái)編制穩(wěn)定可行的控制與調(diào)節(jié)程序,匹配合適的硬件組件后,形成完整的控制系統(tǒng)。

2)依據(jù)遠(yuǎn)程控制理論,進(jìn)行該植保機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真及試驗(yàn)。結(jié)果表明:通過(guò)利用飛控關(guān)鍵性能指令,得到可對(duì)無(wú)人植保機(jī)位姿與作業(yè)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的可視化終端監(jiān)控平臺(tái),且在不同的飛行坡度下,系統(tǒng)的作業(yè)平均高度與實(shí)際植保機(jī)作業(yè)平均高度誤差波動(dòng)為-3.6～+6.3cm,滿(mǎn)足可控誤差要求。